Bài giảng acid nucleic Sinh tổng hợp protein TS. Vũ Thị Thơm Khoa Y Dược ĐHQGHN (VNU)

1. TS. Vũ Thị Thơm
Khoa Y Dược
ĐHQGHN
Sinh tổng hợp protein

2. Mục tiêu bài học
 Trình bày được các khái niệm cơ bản về cơ chế
phiên mã tổng hợp ARN
 Trình bày được các khái niệm cơ bản về cơ chế
dịch mã, tổng hợp protein

3. Học thuyết trung tâm của
Sinh học phân tử
 Trong tế bào, thông tin di
truyền được chứa trong
ADN
 ADN có khả năng tự sao
chép để tạo thành ADN
 Thông tin di truyền trong
ADN có thể được “phiên
mã” thành ARN, tiếp đó
được “dịch mã” thành
protein. Protein đảm nhiệm
phần lớn các chức năng,
hoạt động của tế bào
 Thông tin di truyền chỉ
được truyền đi theo một
chiều

4. Mã di truyền
 Thông tin di truyền: trình tự
nucleotid trong chuỗi
polynucleotid
 Mã di truyền (genetic code):
thông tin di truyền được mã
hóa bằng các bộ ba mã hóa
(codon)
 Codon: 3 nucleotid liên tiếp
trên mạch polynucleotid quy
định cho một loại acid amin
nhất định của protein
 Trình tự acid amin trong cấu
trúc bậc 1 của một protein
được quy định bởi trình tự
nucleotid trong gen mã hóa
protein đó

5. Tính chất của mã di truyền
 Mã bộ ba (đọc theo chiều 5’ – 3’ trên ARN)
 Đặc hiệu: mỗi codon chỉ mã hóa cho 1 acid amin
 Phổ biến (vạn năng): chung cho tất cả các loài, trừ một số
ít ngoại lệ như ở ty thể hay động vật nguyên sinh
 Thoái hóa: 1 acid amin có thể được mã hóa bởi nhiều
codon khác nhau
 Không chồng chéo: các codon được đọc theo thứ tự

6. Bảng mã di truyền
ADN
 ATG/AUG: mã khởi
đầu, đồng thời mã cho
Met
 TAA/UAA, TAG/UAG,
TGA/UGA: mã kết thúc

7. Khung đọc
 Bộ ba mở đầu còn xác định khung đọc của trình tự ARN
 có thể có ba khung đọc cho bất kỳ trình tự ARN nào
phụ thuộc vào nucleotid nào được chọn làm nucleotid bắt
đầu của codon.
 Thường chỉ một khung đọc được sử dụng.
 Ví dụ:
Khung đọc 1: 5’ – AUG ACU AAG AGA UCC – 3’
Met Thr Lys Arg Ser
Khung đọc 2: 5’ – A UGA CUA AGA GAU CC – 3’
Stop
Khung đọc 3: 5’ – AU GAC UAA GAG AUC C – 3
Stop

8. Sinh tổng hợp protein
 Có hai quá trình chủ yếu trong sinh tổng hợp protein:
 Tạo thành mARN dựa theo khuôn ADN: quá trình phiên mã (sao
mã)
 Tổng hợp protein theo khuôn mARN tại ribosom: quá trình dịch
mã

9. Quá trình phiên mã (Transcription)

10. Quá trình phiên mã
 Quá trình phiên mã là quá trình tổng hợp bản sao ARN
của một gen ADN
 Xúc tác bởi enzym ARN polymerase
 Nguyên liệu: 4 loại ribonucleosid triphosphat (RiNu):
ATP, UTP, GTP, CTP
 ARN được tổng hợp theo chiều 5’-3’. Các RiNu mới được
gắn vào đầu 3’-OH tự do của chuỗi polynucleotid
 Tuân theo nguyên tắc bổ sung. Trình tự RiNu của ARN
được quyết định bởi trình tự Nu của ADN
 Không cần có primer
 Phiên mã bắt đầu từ một vùng đặc hiệu được gọi là
“promoter” (trình tự khởi động) trên ADN. Với gen mã
hóa protein, promoter thường nằm ở thượng nguồn, cách
đầu 5’ của gen một đoạn ngắn (một vài Nu)

12. ARN polymerase
Đây là enzym kiểm soát quá trình phiên mã, có
chức năng:
 Nhận biết promoter trên ADN, khởi động phiên mã
 Tháo xoắn một đoạn ngắn ADN, tách chuỗi ADN xoắn kép
để tạo thành 2 mạch đơn
 Chọn RiNu phù hợp theo nguyên tắc bổ sung với Nu trên
ADN mạch khuôn và xúc tác sự tạo thành liên kết
phosphodiester giữa các RiNu của ARN
 Nhận biết tín hiệu ngừng phiên mã: terminator (trình tự
kết thúc)

13. Đơn vị phiên mã
 Đơn vị phiên mã được tính từ promoter đến terminator
 Một đơn vị phiên mã được phiên mã thành một phân tử
ARN
http://www.nature.com/scitable/content/a-transcription-unit-19090
Vùng mã hóa ARNMạch mã hóa
Mạch khuôn
Điểm bắt đầu
phiên mã
Điểm dừng
phiên mã
Thượng nguồn Hạ nguồn

14. Bóng phiên mã
 2 sợi ADN tách ra tạo cấu trúc bóng phiên mã
(transcription bubble)
 Mạch chứa codon mã hóa protein gọi là mạch mã hóa
 Mạch bổ sung cho mạch mã hóa sẽ là mạch khuôn tổng
hợp ARN
 Khi bóng phiên mã dịch chuyển, ADN phía trước tháo xoắn,
ADN phía sau khôi phục lại dạng xoắn kép, mạch ARN dài ra
Tái xoắn Mạch khuôn
Chuỗi xoắn lai
ADN-ARN
Vị trí
kéo dài
Mạch mã hóa Tháo xoắn
ARN
mới
Chiều chuyển động
của ARN polymerase
ARN polymerase

15. Các giai đoạn của phiên mã
Phiên mã gồm 3
giai đoạn:
 Khởi đầu phiên mã
 Kéo dài phiên mã
 Kết thúc phiên mã
Promoter
Đơn vị phiên mã
ARN polymerase
Khởi điểm
5
5
ADN tái xoắn
3
3
Bản phiên mã
ARN hoàn chỉnh
ADN tháo
xoắn
Bản phiên
mã ARN
Mạch khuôn ADN
ADN
1
2
3
5’
3’
3’
5’
5’
3’
3’
5’
5’
3’
3’
5’
5’
3’
3’
5’
Bản phiên
mã ARN
Khởi đầu. Sau khi ARN polymerase bám vào
promoter, 2 sợi ADN tháo xoắn, và enzym bắt
đầu tổng hợp ARN từ điểm khởi đầu của mạch
khuôn
Kéo dàd. Enzym dịch chuyển, tháo xoắn ADN,
mạch mã sao ARN tổng hợp kéo dài theo hướng 5
3 . Sau khi ARN polymerase đi qua, ADN tái
xoắn trở về mạch kép.
Kết thúc. Cuối cùng, bản mã sao ARN được
giải phóng, ARN polymerase tách khỏi ADN

16. ARN polymerase ở vi khuẩn
 ARN polymerase gồm bốn
loại tiểu đơn vị: , , ’ và σ.
 : tương tác với các tiểu đơn vị khác, tạo
phức hợp ARN polymerase; tương tác với promoter
 và ’: trung tâm xúc tác phản ứng tổng hợp ARN
 σ: là yếu tố khởi đầu phiên mã, nhận biết promoter đặc hiệu. Có
nhiều loại

17. Phức hệ khởi đầu phiên mã
 Promoter điển hình có ba
thành phần: Hai trình tự liên
ứng (consensus sequence)
ở vị trí -35 và -10,
và điểm khởi đầu phiên mã
 Phức hệ khởi đầu phiên mã có chứa
tiểu đơn vị σ, bao phủ một đoạn mạch khoảng 75-80 cặp Nu,
trong đó bao gồm đoạn promoter
 Các tiểu đơn vị σ nhận biết các trình tự liên ứng khác nhau 
nhận biết các promoter khác nhau

18. Khởi đầu phiên mã
 ARN polymerase (có tiểu đơn
vị σ) nhận biết và bám vào
promoter trên mạch xoắn kép
ADN, tạo phức hệ đóng, khởi
động phiên mã
 ARN polymerase tháo xoắn
ADN, tách mạch ADN kép
thành 2 mạch đơn  phức hệ
mở
 Bắt đầu xúc tác gắn RiNu
 Tiểu đơn vị σ tách khỏi enzym
1. Tạo phức hệ đóng
2. Tạo phức hệ mở
3. Bắt đầu gắn RiNu
4. σ tách khỏi enzym

19.  ARN polymerase xúc tác
tổng hợp phân tử ARN
mạch đơn theo nguyên tắc
bổ sung dựa trên mạch
khuôn ADN. RiNu được gắn
vào đầu 3’-OH của mạch
ARN
 ARN polymerase dịch
chuyển về đầu 5’ của mạch
khuôn ADN, tiếp tục tháo
xoắn khoảng 10 đến 20
ADN cặp Nu một lúc để bắt
cặp với RiNu
Kéo dài
ARN
polymerase
Mạch mã hóa
ribonucleotid
3 end
A E G C A
U
T A G G T T
A
T C C A A
3
5
5
ARN mới tổng hợp
Chiều phiên mã
Mạch khuôn
Kéo dài phiên mã

20. Kết thúc phiên mã
 Khi ARN polymerase gặp trình tự
kết thúc (terminator - đoạn ADN
với trình tự đặc hiệu), nó sẽ rời
khỏi ADN, giải phóng phân tử
ARN
 ADN tái xoắn
 Kết thúc phiên mã có thể phụ
thuộc hoặc không phụ thuộc vào
yếu tố rho (ρ)
 Không phụ thuộc ρ: ARN hình
thành cấu trúc kẹp tóc giàu GC,
tiếp theo là một đuôi giàu U (poly
U).

21. Kết thúc phiên mã phụ thuộc ρ
 Yếu tố rho là enzym helicase phụ
thuộc ATP
 ρ bám vào trình tự đặc hiệu trên
ARN đang được tổng hợp. Sau đó, nó
di chuyển trên sợi ARN đuổi theo
ARN polymerase nhờ năng lượng tạo
ra khi thủy phân ATP
 ARN tại trình tự kết thúc cũng tạo
thành cấu trúc kẹp tóc, ngăn cản
ARN polymerase chuyển động
 ρ bắt kịp polymerase, nhận biết
trình tự kết thúc, xúc tác tháo xoắn
ARN khỏi mạch khuôn ADN, giải
phóng ARN và polymerase, kết thúc
phiên mã

22. Phiên mã ở sinh vật nhân thật
3 loại ARN polymerase ở sinh vật nhân thật
Tên Vị trí Chức năng
ARN Polymerase I conNhân Tổng hợp rARN (5.8S,18S and 28S
rARN)
ARN Polymerase II Nhân Tổng hợp hnRNA, là tiền chất của
to mARN; tổng hợp phần lớn
snARN (small nuclear ARN)
ARN Polymerase III Nhân Tổng hợp rARN 5S, tARN, một số
các phân tử ARN nhỏ không mã
hóa khác

23. Các yếu tố bảo thủ trong vùng promoter Trình tự
Hộp CAAT GGCCAATCT
Hộp TATA TATAA
Hộp GC GGGCGG
Vị trí CAP TAC
Promoter của sinh vật nhân thật
 Promoter nằm ở thượng nguồn của gen
 Có nhiều loại promoter, với cấu trúc và chức năng điều
hòa khác nhau

24. Vùng kiểm soát phiên mã
Gen tăng cường
Kiểm soát mức độ
biểu hiện của gen
Kiểm soát sự gắn
kết của ARN
polymerase
Kiểm soát
điểm khởi
đầu phiên
mã
Điểm khởi
đầu phiên
mã

25. Yếu tố phiên mã
 Phiên mã ở sinh vật nhân thật
cần có sự tham gia của các yếu
tố phiên mã (transcription
factor)
 Yếu tố phiên mã là các protein
liên kết với ADN gần điểm khởi
đầu phiên mã
 Có thể ức chế hoặc hỗ trợ ARN
polymerase trong khởi động và
duy trì phiên mã

26. SAO MÃ
SỬA ĐỔI ARN
DỊCH MÃ
mARN
ADN
Tiền-mARN
Polypeptid
Ribosom
Màng nhân
Sửa đổi ARN
 Trong tế bào nhân thật, phiên
mã xảy ra trong nhân, tổng hợp
nên tiền-ARN
 Sau khi được tổng hợp, tiền-
ARN phải trải qua nhiều biến
đổi trong nhân tế bào (RNA
processing)

27.  Hai đầu của phân tử tiền mARN được sửa đổi để bảo vệ
mARN khỏi bị phân cắt bởi enzym của tế bào và giúp
chuyển mARN từ nhân ra tế bào chất, đồng thời có thể tham
gia điểu hòa dịch mã
 Đầu 5’ được gắn mũ là RiNu G được methyl hóa
 Đầu 3’ được gắn đuôi poly(A)
Thêm Nu G đã sửa đổi vào đầu 5’ Thêm 50 - 250 Nu A vào đầu 3’
Vùng mã hóa protein Tín hiệu adenyl hóa
Đuôi Poly(A)Vùng
không
dịch mã
3 UTR
Bộ ba
kết thúc
Bộ ba
khởi đầuMũ 5 Vùng
không
dịch mã
5 UTR
AAUAAA AAA…AAA
PHIÊN MÃ
SỬA ĐỔI ARN
ADN
Tiền mARN
mARN
DỊCH MÃ
Ribosome
Polypeptide
G P P P
5
3
Sửa đổi ARN thông tin (mARN)

28. Tạo mũ đầu 5’
 Mũ là RiNu G bị methyl hóa:
m7G (7-methylguanylate)
 m7G gắn với đầu 5’ của mARN
qua cầu nối 5’-5’ triphosphat
 Nhóm 2’-OH của 2 RiNu đầu
tiên của phân tử tiền mARN
cũng có thể bị methyl hóa
 Nếu RiNu đầu là A thì base nitơ
A cũng có thể bị methyl hóa

29. Gắn đuôi poly(A)
 Tín hiệu trên tiền mARN: Ở vùng 3’: 5’-AAUAAA-3’; tiếp
theo là đoạn trình tự giàu U hay GU
 Những protein đặc hiệu có
khả năng nhận biết đoạn
trình tự trên và cắt mARN ở
vị trí khoảng 20 RiNu sau
trình tự 5’-AAUAAA-3’
 Enzym poly(A) polymerase
bổ sung thêm A vào đấu 3’

30. Sửa đổi mARN – Loại bỏ intron
 Phân tử tiền mARN có chứa cả
intron và exon
 Intron: không mã hóa protein
 Exon: mã hóa protein
 Intron cần được loại bỏ khỏi
phân tử tiền mARN bằng quá
trình cắt bỏ intron (splicing)
 Các exon sẽ nối lại để tạo
thành mARN hoàn chỉnh có
thể tham gia vào dịch mã

31. Tổng hợp ARN ribosom (rARN)
Các rARN thường được phiên mã thành một phân tử
tiền ARN chung, sau đó được cắt thành các rARN riêng
hoàn chỉnh
Sinh vật
nhân sơ
Các tiểu
đơn vị
Ribosom 70S
30S
50S
rARN 23S + rARN 5S
và 31 protein
rARN 16S
và 21 protein
Sinh vật nhân
chuẩn
Các tiểu
đơn vị
Ribosom 80S
40S
60S
rARN 28S + rARN 5,8S + rARN 5S
và ~49 protein
rARN 18S
và ~33 protein

32. Tổng hợp ARN vận chuyển (tARN)
Ribonuclease cắt phân tử tiền tARN thành nhiều tARN.
Tiếp đó, các tARN này lại được biến đổi để thành tARN
hoàn chỉnh
Thùy đối mã
Thùy nhận
acid amin

33. Quá trình dịch mã (Translation)
PHIÊN MÃ
DỊCH MÃ
ADN
mARN
Ribosom
Polypeptide
Polypeptid
Acid amin
tARN gắn
acid amin
Ribosom
tARN
Bộ ba đối mã
mARN
Gly
A A A
U G G U U U G G C
Bộ ba mã sao5 3
 Dịch mã là quá trình tổng
hợp protein diễn ra tại
ribosom, dựa trên bản
phiên mã của mARN
 Cần ribosom, mARN, và
tARN

34.  Ribosom là bộ máy tổng hợp protein
 Ribosom tạo điều kiện cho bộ ba đối mã của tARN có thể
tương tác đặc hiệu với bộ ba mã sao của mARN trong quá
trình tổng hợp protein
 Ribosom gồm 2 tiểu đơn vị,
được tạo thành từ protein và
rARN
Dịch mã: Vai trò của Ribosom

35. Dịch mã: Vai trò của mARN và tARN
 mARN: chứa thông tin mã hóa cấu trúc bậc 1 của protein
 tARN mang các bộ ba đối mã (anticodon) để nhận biết các
bộ ba mã sao (codon) trên mARN và mang axit amin đến
ribosom
 Có khoảng 40 loại tARN. Các phân tử tARN khác nhau, cùng
vận chuyển 1 loại aa được gọi là các tARN đồng nhận.
 Một tARN có thể nhận biết hơn một bộ ba quy định axit amin
nhờ tính thoái hóa của bazơ thứ ba (hay tính linh hoạt của
mã bộ ba) Ví dụ: G có thể liên kết với U và C; I (một dạng khử
amin của G đôi khi có mặt ở thùy đối mã) có thể liên kết với
cả C, A và U.

36. Các giai đoạn của dịch mã
 Hoạt hóa acid amin: liên kết acid amin với tARN tương ứng
 Khởi đầu dịch mã: tạo phức hợp mARN-ribosom và phân tử
tARN khởi đầu (initiator tARN) gắn với bộ ba mã mở đầu
 Kéo dài dịch mã: ribosom đọc lần lượt các bộ ba mã sao
tiếp theo. Chuỗi polypeptid dài dần ra, từ đầu N tận đến đầu
C tận
 Kết thúc dịch mã: Khi ribosom gặp bộ ba kết thúc, chuỗi
polypeptid được giải phóng và ribosom rời khỏi mARN
 Chuỗi polypeptid thường cần được cuộn gấp hoặc qua sửa
đổi để có hoạt tính sinh học

37. Hoạt hóa acid amin
 Axit amin gắn vào tARN thông qua
phản ứng aminoacyl hóa (nạp axit
amin) ở thùy nhận axit amin của
tARN ( có trình tự 5’-CCA-3’)
 Xúc tác: enzym aminoacyl-tARN
synthetase, sử dụng năng lượng từ
sự thủy phân ATP
 tARN gắn acid amin còn được gọi là
aminoacyl tARN

38. Khởi đầu dịch mã ở sinh vật nhân sơ
 Với sinh vật nhân sơ, tiểu đơn vị 30S của ribosom tương tác với
các trình tự đặc hiệu (trình tự Shine-Dalgano). Có thể có vài
trình tự khác nhau trên cùng một mARN do mRNA của sinh
vật nhân sơ có thể mã hóa cho một vài protein khác nhau.
 Dịch mã bắt đầu ở bộ ba AUG
 Axit amin mở đầu: N-formyl methionin (một trong hai nguyên
tử H của nhóm amin bị thay bằng nhóm formyl)
 Tiểu đơn vị 50S sẽ gắn vào sau
 Có sự tham gia của các yếu tố khởi đầu (IF1, IF2, IF3)
 Dịch mã có thể tiến hành trong khi phiên mã còn đang diễn ra

39. Khởi đầu dịch mã ở sinh vật nhân
thật
 Với sinh vật nhân thật, tiểu đơn vị 40S của ribosom gắn vào
mũ 5’, sau đó di chuyển dọc theo sợi mARN cho đến khi tìm
được bộ ba AUG đầu tiên
 mARN của sinh vật nhân thật thường chỉ mã cho 1 gen
 Dịch mã bắt đầu với acid amin Met
 Tiểu đơn vị 60S sẽ gắn vào sau
 Có sự tham gia của các yếu tô khởi đầu (các eIF)

40. Trong giai đoạn khởi đầu, mARN, tARN mang acid amin đầu tiên của
chuỗi polypeptid, và 2 tiểu đơn vị của ribosom được đưa đến kết hợp
với nhau, tạo thành phức hệ khởi đầu dịch mã
Tiểu đơn vị lớn
của ribosom
tARN khởi đầu
mARN
Nơi gắn mARN
Tiểu đơn vị nhỏ
của ribosom
Phức hệ khởi đầu dịch mã
P site
GDPGTP
Mã khởi đầu
Tiểu đơn vị nhỏ của ribosom gắn với mARN.
Một tARN khởi đầu, có bộ ba đối mã UAC kết
hợp bổ sung cho bộ ba mã sao AUG. tARN này
mang acid amin Met
1
U A C
A U G
E A
3
5
5
3
35 35
Khởi đầu dịch mã
Kết hợp với tiểu đơn vị lớn của ribosom tạo phức
hệ khởi đầu dịch mã. Quá trình này cần các
protein đặc biệt gọi là các yếu tố khởi đầu. Năng
lượng cung cấp lấy từ thủy phân GTP. tARN khởi
đầu chiếm vị trí P; vị trí A để dành cho tARN
mang acid amin tiếp theo
2

41. Kéo dài dịch mã
 Acid amin được gắn lần lượt vào chuỗi polypeptid
 Ribosom xúc tác phản ứng tạo liên kết peptid
 Có sự trợ giúp của các yếu tố kéo dài (EF-Tu, EF-Ts, EF-
G ở sinh vật nhân sơ; eEF-1 và eEF-2 ở sinh vật nhân
thật)

42. Đầu N tận của
chuỗi polypeptid
mRNA
Ribosom sẵn sàng
cho aminoacyl tRNA
tiếp theo
E
P A
E
P A
E
P A
E
P A
GDP
GTP
GTP
GDP
5
3
Nhận biết codon. Bộ ba đối mã
của aminoacyl tARN tương tác bổ
sung với bộ ba mã sao của mARN
tại vị trí A. Phản ứng thủy phân
GTP giúp tăng độ chính xác và
hiệu quả của bước này
1
Hình thành liên kết
peptid. Một phân tử rARN của
tiểu đơn vị lớn xúc tác phản
ứng tạo liên kết peptid giữa
acid amin mới ở vị trí A và đầu
C tận của chuỗi polypeptid ở
vị trí P. Bước này chuyển chuỗi
polypeptid sang tARN ở A
2
Chuyển vị. Ribosom chuyển
vị tARN ở A sang P. tARN không
mang acid amin ở P chuyển
sang E và giải phóng khỏi
ribosom. mARN, gắn với tARN,
cũng chuyển đi một codon, đưa
bộ ba mã sao mới vào vị trí A
3

43. Yếu tố kết
thúc dịch mã
Chuỗi polypeptid
Bộ ba mã kết thúc
(UAG, UAA, UGA)
5
3 3
5
3
5
Khi ribosom đến bộ ba mã kết
thúc, vị trí A sẽ tiếp nhận một
protein gọi là yếu tố kết thúc dịch
mã
1 Yếu tố kết thúc dịch mã thủy
phân liên kết giữa tARN ở vị trí
P và acid amin cuỗi cùng của
chuỗi polypeptid, giải phóng
polypeptid khỏi ribosom
2 3 Hai tiểu đơn vị của ribosom
và các thành phần khác của
phức hệ cũng được giải
phóng
Kết thúc dịch mã
 Yếu tố kết thúc dịch mã trong sinh vật nhân sơ: RF-1, RF-
2, RF-3; trong sinh vật nhân thật: eRF

44. Polyribosom
Polyribosom: Một
phân tử mARN được
dịch mã đồng thời bởi
nhiều ribosom

45. Sau dịch mã (Post-translation)
 Chuỗi polypeptid có thể được giải phóng ra trong tế
bào chất hoặc được đưa qua màng tế bào
 Chuỗi polypeptid cuộn gấp ngay, tạo các bậc cấu trúc
cần thiết. Nó cũng có thể kết hợp với các polypeptid
khác để tạo phân tử protein hoàn chỉnh
 Polypeptid có thể được cải biến, sửa đổi, gắn với các
phân tử khác cần cho hoạt động chức năng của
protein như đường, lipid, phosphat, v.v.

46. Thắc mắc?

47. Chuẩn bị bài tới
 Chương 17, 18 - Biological Science, 3rd edition;
Freeman S., 2008